蓄電池在海洋平臺的應用

魏春先 高超 石作鋒 柏繼合

（海洋工程股份有限公司設計公司，天津 300451）

1 引言

在正常情況下，海洋平臺的生產和生活的電力均由主發電機提供，如果由于某種原因主發電機不能正常工作，如發生火災或維修時，由應急發電機組向消防、安全、緊急逃生和生活等用電設施提供必要的電力。

海洋平臺電力系統電源除上述主發電機和應急發電機組以外，還要確保各種緊急狀況情況下，為通信、消防和安全系統的緊急管段等設施提供必要的電力UPS（不間斷電源裝置）系統和直流24 V系統。而電池作為UPS和直流24 V系統重要組成部分，它的安全、可靠、穩定的運行對保證平臺設施、人員安全則起到了至關重要的作用。

2 電池選型及應用

蓄電池的種類一般可分為：開放型液體鉛酸電池、鉛酸免維護電池和鎳鎘電池，它們各自特點如表1所示。

海洋平臺的電池的選型及應用除要充分考慮海上潮濕、鹽霧、油霧、酶菌、傾斜、搖擺、振動和沖擊等環境因素的影響，做好防護措施，另外還要結合具體的應用場合，進行正確的選型，在海洋平臺上，需要電池組的主要設備如下：

a） 平臺UPS系統；

b） 應急逃生燈具；

c） 霧笛導航系統；

d） 透平電站系統/透平壓縮機系統；

e） 應急柴油發電機系統/柴油消防泵系統/柴油吊機系統；

f） 儀表/通訊等專業自配蓄電池系統。

對比a）～f ）六種應用，以需要電池放電特點可以分為兩大類：一類為牽引電池，即以恒定電流持續一段時間放電，如a）、b）、c）和f）四項，以保障重要設備在平臺或船舶主電站無電時的供電；另一種為啟動電池，即短時大電流放電，以保障一些重要設備在無主電站供電時的啟動，如d）、e）兩項。

鎳鎘電池在長期浮充電的使用情況下，其壽命較長，但由于其大電流放電時，容易形成較大體積的結晶物，而阻塞極板群中的合金上的空隙，從而增加電池內部電阻，且大體積的結晶物在電池充電時難以分解，從而減小電池容量，考慮到價格和性能因素，早期海洋平臺在柴油發電機原動機啟動電池選用時通常考慮鉛酸蓄電池，近年來，隨著超高倍率燒結式堿性鎳鎘蓄電池的出現，鎳鎘電池也越來越多地應用在原動機啟動場合，而a）、b）、c）和f）四項需持續恒電流供電時則選用鎳鎘電池。

表1 蓄電池的種類及特點

2 電池容量估算

在供電負荷確定后，可以通過計算確定電池的容量，以滿足用電負荷的正常需求，本文以錦州25-1油氣田項目為例介紹UPS電池的計算和應急發電機原動機啟動用電池的計算。

錦州25-1油田位于渤海遼東灣中部海域，包括一座中心平臺（CEP）和一座井口平臺（WHPA），兩座平臺通過棧橋連接，布置在主體區。錦州25-1油田裝設一臺額定電壓為400 V，額定輸出功率1200 kW的應急發電機，為兩平臺的應急配電盤供電。

2.1 UPS電池計算

交流不間斷電源 UPS能夠在主電斷電等電網故障時持續供電，其核心是利用電池化學能作為后備能量，進行化學能與電能的能量轉換，見圖1。

圖1 UPS供電示意圖

錦州 25-1項目在 CEP中心平臺裝設一套UPS系統，35 kV，6.3 kV，0.4 kV配電盤內部分指示燈、控制繼電器以及脫扣線圈、中控盤系統、通訊系統、火災盤等設備的電源均由UPS提供，表2給出電氣、儀表、通訊專業需要UPS供電的用電負荷。

表2 UPS供電負荷列表[1]

2.1.1 電池數量計算

在錦州25-1項目中UPS直流逆變器的輸入電壓為：220 V（-20%～+10%，即176 V～242 V）；

每只鎳鉻電池放電終止電壓為：1.0 V；每只鎳鉻電池放電平均電壓為：1.2 V；每只鎳鉻電池浮充電電壓為：1.4 V；

按照直流最低電壓不低于 176 V（220 V×0.8），每只鎳鉻電池放電終止電壓為1.0 V計算電池數量。

電池數量為：176 V/1.0 V/只=176 （只）

2.1.2 電池容量計算

結合錦州 25-1工程項目，表 3給出了 UPS用電負荷的具體統計及電池容量統計數據。

表3中蓄電池累計需用容量為93 Ah，電池估算容量要考慮尖峰用電負荷及沖擊用電負荷的影響，從而保證電池一定的余量，通常考慮 1.1倍的余量系數，并除以電池放電系數（K）和直流逆變器的效率[2]。本項目中依據AEG廠家樣本，逆變器的效率取0.91，即：

放電系數K根據不同廠家電池放電特性而有所不同，錦州25-1項目選用的SAFT電池，其電池放電系數見表4，按照K=0.5考慮。

根據公式（1）計算的得到電池容量為 205 Ah，電池容量選擇依據此值并結合表5 SAFT電池廠家標準產品系列進行選擇，電池選型為：SBM 231系列。

表3 錦州25-1UPS用電負荷用及電池容量統計表

表4 SAFT電池放電系數表

表5 SAFT電池放電數據表

2.2 應急發電機的啟動用電池計算

各種汽油、柴油發電機原動機啟動時的沖擊電流較大，可達2000 A甚至更高，滿足機組大電流啟動是選擇蓄電池容量的主要依據，并依據“蓄電池能夠連續啟動6次，每次啟動時間為5 s”的原則對蓄電池容量進行校驗。本項目應急發電機由CATERPILLAR供貨，選擇CATERPILLAR超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池為原動機啟動用電池。

2.2.1 電池數量計算

原動機要求使用24 V啟動電池，其中每只鎳鉻電池平均電壓為1.2 V，電池數量為：24 V/1.2 V/只=20 只

2.2.2 電池容量計算

CATERPILLAR原動機要求啟動電流為：1260 A，最低環境溫度-18℃。

（1） 查表求容量

表6為超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池20℃時終止電壓為0.85 V的放電數據表。

表6 超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池放電數據表（20℃）

《海上固定平臺安全規則》[3]規定“自動啟動的應急發電機組應設有經檢驗機構認可的啟動裝置, 并配備至少能供六次連續啟動的能源”，因此作為柴油發電機組起動用的蓄電池要滿足高倍率連續放電6次的要求。實際按照起動6 次，每次5 s，總計30 s高倍率放電考慮，同時考慮一定時間余量，按放電時間1 min（2×30 s），放電電流為1260 A時查表6近似得出蓄電池容量為100 Ah，因表6是環境溫度為20℃時的放電數據，還要將蓄電池查表容量折算到-18℃條件下的容量，實際按照折算系數為0.8和維護系數為0.85進行估算，即

計算結果為147 Ah，根據表6靠檔，確定為電池容量為170 Ah，即選擇CNC170型號的電池。

（2） 公式求容量

啟動要求：環境溫度為-18℃，冷啟動6 次，每次時間約為5 s，在此條件下電池容量按照經驗公式（3）計算

其中：L為維護系數、主要考慮到使用年數、使用條件的變化而引起的容量變化，一般取0.85，代入數值，計算得

此時計算結果已考慮溫度因素，因此，可以直接在表6進行靠檔選擇，確定電池容量為170 Ah，即選擇CNC170型號電池。由此可以看出無論利用查表法還是公式計算法，最終選擇容量應該是一致的。

（3） 國家標準校驗

方形開口鎘鎳單體蓄電池總規范GB/T15142-2002（國際電工標準 IEC 60623：1990）規定：在20℃環境中，以0.2 C5A 充電8 h，超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池在不同倍率放電性能不低于表7要求。

表7 超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池放電特性（20℃）

超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池在常溫條件下充電8 h，然后在－18℃環境中在不同倍率放電性能不低于表8要求。

表8 超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池放電特性（-18℃）

柴油發電機組起動用電池為是瞬間放電，所以均以10倍率選用電池，從表7、8可以看出由（1） 和（2）確定的電池容量完全可以滿足柴油發電機組起動需求。

另外要注意，由于蓄電池瞬間放電電壓降較大，應急發電機組控制盤控制電源不應由啟動用的電池直接供電，以保證不受原動機啟動時的影響，保證控制線路的正常運行。

3 電池維護及注意事項

結合海洋平臺的特殊環境及特點，蓄電池組放置處所及通風要求根據蓄電池組充電功率的不同而應區別對待，具體如表9所示。

另外還要注意除密封式蓄電池外，蓄電池組不得安裝在生活區域內, 同時為防止酸堿發生化學反應，產生腐蝕，酸性蓄電池和堿性蓄電池嚴禁放在同一處所或箱（柜）中[4]。

表9 不同充電功率下蓄電池組放置處所及通風要求[1]

作為應急電源、交流不間斷電源所用的蓄電池組不可與應急配電板安裝在同一處所，原動機啟動蓄電池組應盡可能接近原動機，在海上平臺柴油機組的啟動電池通常裝設于機組旁，通過電纜長度的縮短降低直流電傳導中的電阻，以保證啟動電壓在一定的范圍內[5]。

電池應定期充電放電，一般每隔2－3個月應完全放電一次，放電時間可根據蓄電池的容量和負載大小確定。一次全負荷放電完畢后，按規定再充電8 h以上，以避免因電池長期處于浮充電狀態，導致電池化學能與電能相互轉化的活性降低，從而縮短使用壽命；經常檢查電池液面，適時添加純凈水，以維持液面在上下水線之間[6]。

4 結束語

作為海洋平臺電力系統的重要組成部分，蓄電池的正確選型及使用對保證平臺設施、人員安全有著至關重要的作用。結合海洋平臺的特殊環境，蓄電池的使用和日常維護要符合《海上固定平臺安全規則》和《中國船級社海上移動平臺入級與建造規范》關于蓄電池的相關規定，同時要密切關注蓄電池的發展方向及最新技術，如太陽能電池、氫燃料電池等以期使之更好的為保證平臺設備、人員安全的目標服務。

[1] 編寫組. 海洋石油工程設計指南[M]. 北京:石油工業出版社,2007.

[2] 中國航空工業規劃設計研究院組編. 工業與民用配電設計手冊[M]. 北京:中國電力出版社,2007.

[3] 編寫組. 海上固定平臺安全規則[S].

[4] 中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規范[S]. 北京:人民交通出版社.

[5] 劉磊. 電力工程蓄電池回路電纜截面選擇[J]. 供用電, 2009（26）:46-48.

[6] 劉學. 淺談蓄電池的運行和與維護[J]. 天津航海,2009（2）:26-28